面向非合作目标的空间绳网旋转展开动力学特性研究
发布时间：2021-04-06 16:16
悬浮在地球周围的空间碎片是人造卫星严重的潜在威胁,具有大尺度冗余抓捕特点的绳网捕获形式具有重要的应用需求,而采用火工装置直接抛射展开空间绳网,存在对发射卫星平台冲击大、绳网展开后网体构型维持时间短的问题。为提升绳网的捕获性能,对低冲击的发射展开和绳网展开后长时间的在空间保形的研究具有重要意义。本文通过建立拉格朗日动力学解析模型研究基于中心毂轮旋转和基于周置旋筒旋转两种绳网展开方案。采用无控展开和受控展开两种形式分析了不同方案下绳网实现稳定展开的可能性。通过对比不同方案下的控制力矩幅值和工程实现难度确定最佳旋转展开方案。提出了一种数值模拟柔性绳网结构在空气阻力下运动的实现办法,并通过地面实验进行了验证。构建了基于中心差分算法的有限元模型,对网臂旋转展开过程和绳网旋转展开过程进行了仿真模拟,讨论了有限元模型和解析模型间的差异性及其产生原因。基于网体有限元仿真模型,分析了绳网与旋筒间的牵拉传力形式、绳网系统特征参数、旋筒控制方案及对应的力矩加载策略、延迟扰动控制对绳网展开过程中有效捕获面积的影响;设计了周置旋筒旋转展开实验,为绳网系统旋转展开的摩擦影响研究提供参考。
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：86 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
轻型抓捕机械臂
哈尔滨工业大学硕士学位论文2较大；直接弹射展开方式靠质量块初始动能来维持网面构型，弹射大型绳网时火工装置产生的冲击波将对卫星平台的姿态造成大幅度扰动；旋转展开依靠系统初始惯量保证网体的展开，在低冲击发射展开和长时间在空间保形方面有重要的应用潜力。图1-2轻型抓捕机械臂图1-3对接抓捕概念图图1-4绳爪捕获概念图图1-5柔性网捕获概念图综上所述，本文针对几种空间绳网旋转展开备选方案，建立了描述网臂旋转展开过程的动力学解析模型并比较了方案在工程上的易实现性；通过有限元手段对不同方案的绳网展开过程进行了仿真研究，并与解析模型进行对比验证；仿真分析了几种绳网网型、旋筒控制方案及其力矩加载策略、受扰状态对绳网展开有效捕获面积的影响，最终确定了能使网体维持较长展开时间且便于工程实现的绳网展开方案。研究成果可为绳网建模仿真提供指导，为空间绳网系统设计和改进提供参考。1.2空间绳网系统相关项目及试验的研究现状2001年，日本东京大学在“Furoshiki”项目[15-17]中，首次提出了“空间飞网”这一概念，该系统由控制分布在四角的姿态角卫星运动来实现中心网膜结构的展开，如图1-6所示。2003年，日本东京工业大学在这种方案基础上进行了改进，提出了由三个可控卫星及相互牵引的系绳共同作用实现中间折叠网膜结构的展开方案，如图1-7所示[18]，结合仿真研究和实验校验分析了系绳在中间绳网展开过程中的作用。2001年，ESA提出了用于抓捕地球同步轨道上的废弃卫星，并将其转移到坟墓轨道的ROGER（RoboticGeostationaryOrbitRestorer）计划[19]。在该计划中，飞
哈尔滨工业大学硕士学位论文2较大；直接弹射展开方式靠质量块初始动能来维持网面构型，弹射大型绳网时火工装置产生的冲击波将对卫星平台的姿态造成大幅度扰动；旋转展开依靠系统初始惯量保证网体的展开，在低冲击发射展开和长时间在空间保形方面有重要的应用潜力。图1-2轻型抓捕机械臂图1-3对接抓捕概念图图1-4绳爪捕获概念图图1-5柔性网捕获概念图综上所述，本文针对几种空间绳网旋转展开备选方案，建立了描述网臂旋转展开过程的动力学解析模型并比较了方案在工程上的易实现性；通过有限元手段对不同方案的绳网展开过程进行了仿真研究，并与解析模型进行对比验证；仿真分析了几种绳网网型、旋筒控制方案及其力矩加载策略、受扰状态对绳网展开有效捕获面积的影响，最终确定了能使网体维持较长展开时间且便于工程实现的绳网展开方案。研究成果可为绳网建模仿真提供指导，为空间绳网系统设计和改进提供参考。1.2空间绳网系统相关项目及试验的研究现状2001年，日本东京大学在“Furoshiki”项目[15-17]中，首次提出了“空间飞网”这一概念，该系统由控制分布在四角的姿态角卫星运动来实现中心网膜结构的展开，如图1-6所示。2003年，日本东京工业大学在这种方案基础上进行了改进，提出了由三个可控卫星及相互牵引的系绳共同作用实现中间折叠网膜结构的展开方案，如图1-7所示[18]，结合仿真研究和实验校验分析了系绳在中间绳网展开过程中的作用。2001年，ESA提出了用于抓捕地球同步轨道上的废弃卫星，并将其转移到坟墓轨道的ROGER（RoboticGeostationaryOrbitRestorer）计划[19]。在该计划中，飞
【参考文献】：
期刊论文
[1]空间非合作目标物柔性捕获技术进展[J]. 郭吉丰,王班,谭春林,刘永健,孙国鹏. 宇航学报. 2020(02)
[2]绳系并联支撑机构的绳迟滞效应及影响实验研究[J]. 冀洋锋,林麒,彭苗娇,柳汀,吴惠松. 工程力学. 2019(11)
[3]基于定力撕裂带的绳网网型控制研究[J]. 陈青全,张青斌,唐乾刚,高庆玉. 宇航学报. 2018(12)
[4]Cutting-Edge Space Exploration Technology Maturity Level Facilitation with Support of Space Debris Removal Missions[J]. Hamed Ahmadloo,Jingrui Zhang. Journal of Beijing Institute of Technology. 2018(04)
[5]空间充气展开绳网捕获系统动力学建模与分析[J]. 刘昊,魏承,田健,谭春林,赵阳. 机械工程学报. 2018(22)
[6]含芯拧绞绳非线性弯曲动力学特性分析与研究[J]. 过佳雯,魏承,谭春林,赵阳. 力学学报. 2018(02)
[7]基于附加约束方法的空间飞网碰撞动力学与仿真[J]. 甄明,杨乐平,张青斌. 载人航天. 2017(04)
[8]空间绳网多收口质量块收口过程动力学分析[J]. 郭吉丰,易琳,王班,周卫华. 宇航学报. 2017(07)
[9]一阶伪线性系统的模型参考输出跟踪控制[J]. 许刚,段广仁. 控制与决策. 2017(08)
[10]空间飞网系统牵拉模式影响研究[J]. 高庆玉,张青斌,唐乾刚,丰志伟. 国防科技大学学报. 2017(02)
硕士论文
[1]自旋目标抓捕的轨迹规划及捕获后复合体的控制[D]. 胡忠华.哈尔滨工业大学 2016
[2]基于涡卷弹簧缠绕自锁性能的锁紧释放装置研制[D]. 姜晗.哈尔滨工业大学 2016
本文编号：3121733
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：86 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
轻型抓捕机械臂
哈尔滨工业大学硕士学位论文2较大；直接弹射展开方式靠质量块初始动能来维持网面构型，弹射大型绳网时火工装置产生的冲击波将对卫星平台的姿态造成大幅度扰动；旋转展开依靠系统初始惯量保证网体的展开，在低冲击发射展开和长时间在空间保形方面有重要的应用潜力。图1-2轻型抓捕机械臂图1-3对接抓捕概念图图1-4绳爪捕获概念图图1-5柔性网捕获概念图综上所述，本文针对几种空间绳网旋转展开备选方案，建立了描述网臂旋转展开过程的动力学解析模型并比较了方案在工程上的易实现性；通过有限元手段对不同方案的绳网展开过程进行了仿真研究，并与解析模型进行对比验证；仿真分析了几种绳网网型、旋筒控制方案及其力矩加载策略、受扰状态对绳网展开有效捕获面积的影响，最终确定了能使网体维持较长展开时间且便于工程实现的绳网展开方案。研究成果可为绳网建模仿真提供指导，为空间绳网系统设计和改进提供参考。1.2空间绳网系统相关项目及试验的研究现状2001年，日本东京大学在“Furoshiki”项目[15-17]中，首次提出了“空间飞网”这一概念，该系统由控制分布在四角的姿态角卫星运动来实现中心网膜结构的展开，如图1-6所示。2003年，日本东京工业大学在这种方案基础上进行了改进，提出了由三个可控卫星及相互牵引的系绳共同作用实现中间折叠网膜结构的展开方案，如图1-7所示[18]，结合仿真研究和实验校验分析了系绳在中间绳网展开过程中的作用。2001年，ESA提出了用于抓捕地球同步轨道上的废弃卫星，并将其转移到坟墓轨道的ROGER（RoboticGeostationaryOrbitRestorer）计划[19]。在该计划中，飞
哈尔滨工业大学硕士学位论文2较大；直接弹射展开方式靠质量块初始动能来维持网面构型，弹射大型绳网时火工装置产生的冲击波将对卫星平台的姿态造成大幅度扰动；旋转展开依靠系统初始惯量保证网体的展开，在低冲击发射展开和长时间在空间保形方面有重要的应用潜力。图1-2轻型抓捕机械臂图1-3对接抓捕概念图图1-4绳爪捕获概念图图1-5柔性网捕获概念图综上所述，本文针对几种空间绳网旋转展开备选方案，建立了描述网臂旋转展开过程的动力学解析模型并比较了方案在工程上的易实现性；通过有限元手段对不同方案的绳网展开过程进行了仿真研究，并与解析模型进行对比验证；仿真分析了几种绳网网型、旋筒控制方案及其力矩加载策略、受扰状态对绳网展开有效捕获面积的影响，最终确定了能使网体维持较长展开时间且便于工程实现的绳网展开方案。研究成果可为绳网建模仿真提供指导，为空间绳网系统设计和改进提供参考。1.2空间绳网系统相关项目及试验的研究现状2001年，日本东京大学在“Furoshiki”项目[15-17]中，首次提出了“空间飞网”这一概念，该系统由控制分布在四角的姿态角卫星运动来实现中心网膜结构的展开，如图1-6所示。2003年，日本东京工业大学在这种方案基础上进行了改进，提出了由三个可控卫星及相互牵引的系绳共同作用实现中间折叠网膜结构的展开方案，如图1-7所示[18]，结合仿真研究和实验校验分析了系绳在中间绳网展开过程中的作用。2001年，ESA提出了用于抓捕地球同步轨道上的废弃卫星，并将其转移到坟墓轨道的ROGER（RoboticGeostationaryOrbitRestorer）计划[19]。在该计划中，飞
【参考文献】：
期刊论文
[1]空间非合作目标物柔性捕获技术进展[J]. 郭吉丰,王班,谭春林,刘永健,孙国鹏. 宇航学报. 2020(02)
[2]绳系并联支撑机构的绳迟滞效应及影响实验研究[J]. 冀洋锋,林麒,彭苗娇,柳汀,吴惠松. 工程力学. 2019(11)
[3]基于定力撕裂带的绳网网型控制研究[J]. 陈青全,张青斌,唐乾刚,高庆玉. 宇航学报. 2018(12)
[4]Cutting-Edge Space Exploration Technology Maturity Level Facilitation with Support of Space Debris Removal Missions[J]. Hamed Ahmadloo,Jingrui Zhang. Journal of Beijing Institute of Technology. 2018(04)
[5]空间充气展开绳网捕获系统动力学建模与分析[J]. 刘昊,魏承,田健,谭春林,赵阳. 机械工程学报. 2018(22)
[6]含芯拧绞绳非线性弯曲动力学特性分析与研究[J]. 过佳雯,魏承,谭春林,赵阳. 力学学报. 2018(02)
[7]基于附加约束方法的空间飞网碰撞动力学与仿真[J]. 甄明,杨乐平,张青斌. 载人航天. 2017(04)
[8]空间绳网多收口质量块收口过程动力学分析[J]. 郭吉丰,易琳,王班,周卫华. 宇航学报. 2017(07)
[9]一阶伪线性系统的模型参考输出跟踪控制[J]. 许刚,段广仁. 控制与决策. 2017(08)
[10]空间飞网系统牵拉模式影响研究[J]. 高庆玉,张青斌,唐乾刚,丰志伟. 国防科技大学学报. 2017(02)
硕士论文
[1]自旋目标抓捕的轨迹规划及捕获后复合体的控制[D]. 胡忠华.哈尔滨工业大学 2016
[2]基于涡卷弹簧缠绕自锁性能的锁紧释放装置研制[D]. 姜晗.哈尔滨工业大学 2016
本文编号：3121733
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